JP2009221867A - 副燃焼室および排気還流通路が設けられた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】主燃焼室および副燃焼室により構成される燃焼室が設けられた内燃機関において、燃焼室に大量のＥＧＲガスを導入することにより燃費の改善を図ると共に、燃焼室内における大量のＥＧＲガスの存在下での燃焼性の向上を図る。
【解決手段】内燃機関には、主燃焼室６に開口すると共に第１，第２主吸気弁14，15によりそれぞれ開閉される第１，第２主吸気通路Ｐ１，Ｐ２と、副燃焼室７に開口すると共に副吸気弁により開閉される副吸気通路Ｐ３とが設けられる。第１，第２主吸気通路Ｐ１，Ｐ２および副吸気通路Ｐ３は、互いに独立した通路である。排気通路Ｐｅ内の排気ガスをＥＧＲガスとして第２主吸気通路Ｐ２に還流させる排気還流通路36ａが設けられる。第１主吸気通路Ｐ１は、混合気およびＥＧＲガスのうちの混合気のみを主燃焼室６に導き、副吸気通路Ｐ３は、混合気およびＥＧＲガスのうちの混合気のみを副燃焼室７に導く。
【選択図】図３

Description

本発明は、主燃焼室と該主燃焼室に連通する副燃焼室とにより構成される燃焼室と、主燃焼室に連通する主吸気通路に排気ガスを還流させる排気還流通路とが設けられた内燃機関に関する。

内燃機関において、主燃焼室と該主燃焼室に連通する副燃焼室とから構成される燃焼室と、主燃焼室に開口する主吸気口にて主吸気弁により開閉される主吸気通路と、副燃焼室に開口する副吸気口にて副吸気弁により開閉される副吸気通路と、主燃焼室に開口する排気口にて排気弁により開閉される排気通路と、排気通路内の排気ガスを還流排気ガスとして主吸気通路に還流させる排気還流通路が設けられたものは知られている。（例えば、特許文献１参照）
特公昭６１−４３５４５号公報

内燃機関の低負荷時や中負荷時に還流排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」という。）の還流量（以下、「ＥＧＲ量」という。）を多くすることにより、ポンピングロスを小さくすることができて、燃費が改善される。また、ＥＧＲ量が多くなることで、吸入空気量が少ない低負荷時や中負荷時において、有効圧縮比（すなわち、吸気行程終了時に実際に燃焼室内に存在する気体（新気、ＥＧＲガスおよび残留排気ガス）の体積と、燃焼室の容積との比）を高めることができるので、内燃機関の熱効率が向上して、燃費が改善される。
しかしながら、ＥＧＲ量が極めて大きくて、ＥＧＲ率（すなわちＥＧＲ量と新気の量との比）が５０％以上で、１００％を越えることもある大量のＥＧＲガスを還流させる場合には、燃焼室内に導入された大量のＥＧＲガスの存在下での良好な燃焼性の確保が課題になる。
ところが、主燃焼室に連通する主吸気通路が１つであり、該主吸気通路にＥＧＲガスが導入されるとき、主吸気通路におけるＥＧＲガスの導入位置よりも下流に燃料供給手段が配置される場合など、燃料供給手段の位置によっては、吸入空気と燃料との混合がＥＧＲガスにより妨げられることがあって、良好な混合気の形成が困難になり、主燃焼室での燃焼性を低下させる原因になる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜３記載の発明は、主燃焼室および副燃焼室により構成される燃焼室が設けられた内燃機関において、燃焼室に大量のＥＧＲガスを導入することにより燃費の改善を図ると共に、燃焼室内における大量のＥＧＲガスの存在下での燃焼性の向上を図ることを目的とする。そして、請求項２記載の発明は、さらに、主燃焼室への混合気とＥＧＲガスとの相対的な導入時期を機関運転状態に応じて動弁装置により制御することで、主燃焼室における混合気とＥＧＲガスの分布状態の多様化を図ることを目的とし、請求項３記載の発明は、さらに、主燃焼室における混合気とＥＧＲガスとの分布状態の層状化により、燃焼性の向上を図ることを目的とする。

請求項１記載の発明は、主燃焼室（６）と、前記主燃焼室（６）に噴口（７ａ）を介して連通する副燃焼室（７）とから構成される燃焼室（５）と、前記主燃焼室（６）に開口する第１主吸気口（10ａ）にて第１主吸気弁（14）により開閉される第１主吸気通路（Ｐ１）と、前記主燃焼室（６）に開口する第２主吸気口（11ａ）にて第２主吸気弁（15）により開閉される第２主吸気通路（Ｐ２）とから構成される主吸気通路と、前記副燃焼室（７）に開口する副吸気口（12ａ）にて副吸気弁（16）により開閉される副吸気通路（Ｐ３）と、前記主燃焼室（６）に開口する排気口（13ａ）にて排気弁（17）により開閉される排気通路（Ｐｅ）と、前記第１主吸気弁（14）、前記第２主吸気弁（15）、前記副吸気弁（16）および前記排気弁（17）を開閉駆動する動弁装置（Ｖ）と、前記第１主吸気通路（Ｐ１）を通じて前記主燃焼室（６）内に導入される混合気を形成する主燃料供給手段（31，32）と、前記副燃焼室（７）内で燃焼する燃料を供給する副燃料供給手段（33）とから構成される燃料供給手段と、前記副燃焼室（７）内に臨むと共に前記副燃焼室（７）内の混合気に点火する点火手段（８）とが設けられた内燃機関において、前記第１主吸気通路（Ｐ１）、前記第２主吸気通路（Ｐ２）および前記副吸気通路（Ｐ３）は、互いに独立した通路であり、前記排気通路（Ｐｅ）内の排気ガスを還流排気ガスとして前記第２主吸気通路（Ｐ２）に還流させる排気還流通路（36ａ）が設けられ、前記第１主吸気通路（Ｐ１）は、前記混合気および前記還流排気ガスのうちの該混合気のみを主燃焼室（６）に導き、前記副吸気通路（Ｐ３）は、新気および前記還流排気ガスのうちの該新気のみを前記副燃焼室（７）に導く内燃機関である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関において、前記動弁装置（Ｖ）は、前記第１主吸気弁（14）の開時期と前記第２主吸気弁（15）の開時期との位相差を変更可能な位相制御手段（61，62）を備え、前記位相制御手段（61，62）を機関運転状態に応じて制御する制御装置（19）が設けられ、前記位相制御手段（61，62）は、前記制御装置（19）により制御されて前記機関運転状態に応じて前記位相差を変更するものである。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の内燃機関において、前記主燃焼室（６）は、シリンダ（１ａ）に往復運動可能に嵌合するピストン（４）とシリンダヘッド（２）との間に形成され、前記第１主吸気口（10ａ）および前記噴口（７ａ）は前記シリンダヘッド（２）に設けられ、前記機関運転状態は機関負荷であり、前記位相制御手段（61，62）は、機関負荷状態を低負荷、中負荷および高負荷に分けたときの前記低負荷時または前記中負荷時に、前記第２主吸気弁（15）の開時期を前記第１主吸気弁（14）の開時期よりも進角した時期に設定すると共に、前記機関負荷に応じて変更される前記位相差の最大値を前記低負荷時または前記中負荷時に生じさせるものである。

請求項１記載の発明によれば、混合気は第１主吸気通路を通じて主燃焼室に導入される一方、還流排気ガスは主燃焼室に連通する第２主吸気通路を通じて主燃焼室に導かれるので、大量の還流排気ガスが主燃焼室に導入される場合にも、第１主吸気通路を通じて混合気が主燃焼室に導入されること、おおび副燃焼室から噴口を通じて主燃焼室に噴出する火炎により主燃焼室内の混合気を燃焼させることができることにより、燃焼性を向上させることができる。しかも、内燃機関の無負荷時や、低・中負荷時に、大量の還流排気ガスを燃焼室に導入することができるので、ポンピングロスを減少させることができ、かつ有効圧縮比を増加させて、熱効率を向上させることができて、燃費を改善できる。
請求項２記載の事項によれば、位相制御手段により第１，第２主吸気弁の開時期の位相差を変更することで、動弁装置により、主燃焼室での混合気と還流排気ガスとの分布状態を機関運転状態に応じて多様に制御することができる。この結果、機関運転状態に応じて、燃焼性向上および燃費改善の観点から好適な前記分布状態を得ることができる。
請求項３記載の事項によれば、主燃焼室においては、還流排気ガスの層がピストン寄りに形成され、混合気の層がシリンダヘッド寄りに形成されるように主燃焼室内における混合気と還流排気ガスとの分布状態が層状化されて、シリンダヘッドに設けられた副燃焼室の噴口からの火炎により、シリンダヘッド寄りに分布する混合気の燃焼が容易になるので、主燃焼室内での燃焼性が向上する。

以下、本発明の実施形態を図１〜図１２を参照して説明する。
図１〜図３を参照すると、本発明が適用された内燃機関Ｅは、車両に搭載される多気筒の４ストローク内燃機関であり、複数のシリンダ１ａ、ここでは４つのシリンダ１ａが直列に配列されて構成されるシリンダブロック１と該シリンダブロック１に結合されたシリンダヘッド２と該シリンダヘッド２に結合されたヘッドカバー３とから構成される機関本体を備え、さらに、各シリンダ１ａに往復動可能に嵌合するピストン４と、シリンダブロック１の下部に形成されるクランク室に配置されてピストン４により回転駆動されるクランク軸９（図４参照）とを備える。
なお、この実施形態において、上下方向は、シリンダ１ａのシリンダ軸線に平行な方向であり、上方は、ピストン４が下死点から上死点に向かう方向であるとする。

シリンダ１ａ毎に上死点位置のピストン４との間に主燃焼室６を形成するシリンダヘッド２には、噴口７ａを有すると共に該噴口７ａを介して主燃焼室６に連通する副燃焼室７と、それぞれ主吸気口10ａ，11ａにて主燃焼室６に開口する複数の、ここでは２つの第１，第２主吸気ポート10，11と、副吸気口12ａにて副燃焼室７に開口する１以上の、ここでは１つの副吸気ポート12と、排気口13ａにて主燃焼室６に開口する１以上の、ここでは１つの排気ポート13と、第１主吸気口10ａ、第２主吸気口11ａ、副吸気口12ａおよび排気口13ａをそれぞれ開閉する第１主吸気弁14、第２主吸気弁15、副吸気弁16および排気弁17と、副燃焼室７に臨んで配置されると共に副燃焼室７内の混合気に点火する点火手段としての点火栓８とが、シリンダ１ａ毎に設けられる。

主燃焼室６は、シリンダヘッド２の下面に設けられた凹部により形成される空間６ａとピストン４の頂面に設けられた凹部により形成される空間６ｂを含んで構成される。そして、主燃焼室６と副燃焼室７とにより燃焼室５が構成される。また、燃焼室５と、シリンダ１ａにおいて行程容積を規定するシリンダ空間１ｂ（図８（ｂ），（ｄ）参照）とにより、燃焼空間が構成される。

内燃機関Ｅは、各吸気ポート10，11，12の入口が開口するシリンダヘッド２の吸気側の側部２ｉに接続されて吸入空気を各吸気ポート10，11，12を介して燃焼室５に導く吸気装置20と、排気ポート13の出口が開口するシリンダヘッド２の排気側の側部２ｅに接続されて排気ガスを燃焼室５から排気ポート13を経て内燃機関Ｅの外部に排出する排気装置27と、主燃焼室６内および副燃焼室７内で燃焼する燃料を供給して吸入空気との混合気を形成する燃料供給手段とを有する。

吸気装置20は、外気を吸入空気として取り入れるエアクリーナ21と、上流端部でエアクリーナ21に接続されるスロットルボディ22ａを有するスロットル弁装置22と、上流端部でスロットルボディ22ａに接続されると共に下流端部でシリンダヘッド２の側部２ｉに接続される吸気管装置としての吸気マニホルド23とを有する。
スロットル弁装置22は、スロットルボディ22ａによりそれぞれ形成される主スロットル通路22ｂおよび副スロットル通路22ｃにそれぞれ配置されると共にエアクリーナ21からの吸入空気の流量を制御する主スロットル弁22ｄおよび副スロットル弁22ｅを有する。両スロットル弁22ｄ，22ｅは、アクセル操作量に応じて、制御装置19により制御される電動モータなどのアクチュエータにより開閉駆動されて、両スロットル通路22ｂ，22ｃをそれぞれ開閉する。

吸気マニホルド23には、主スロットル通路22ｂに連通する吸気チャンバ24ａと、吸気チャンバ24ａから分岐して燃焼室５毎（またはシリンダ１ａ毎）の主吸気ポート10，11に連通する主分岐通路24ｂ，24ｃと、副スロットル通路22ｃに連通する共通通路25ａと、共通通路25ａから分岐して燃焼室５毎の副吸気ポート12に連通する副分岐通路25ｂとが設けられる。
ここで、吸気装置20およびシリンダヘッド２に渡って設けられて吸入空気を燃焼室５に導く吸気通路は、主分岐通路24ｂ，24ｃおよび副分岐通路25ｂと、主分岐通路24ｂ，24ｃと副分岐通路25ｂとにより構成される下流側吸気通路よりも上流の上流側吸気通路と、主吸気ポート10，11と、副吸気ポート12とにより構成される。該上流側吸気通路には、吸気チャンバ24ａ、主スロットル通路22ｂ、共通通路25ａおよび副スロットル通路22ｃが含まれる。

燃焼室５毎に、主分岐通路24ｂ，24ｃは、第１主吸気口10ａを有する第１主吸気ポート10に連通する第１主通路24ｂと、第２主吸気口11ａを有する第２吸気ポート11に連通する第２主通路24ｃとにより構成される。
ここで、第１主吸気ポート10および第１主通路24ｂにより第１主吸気通路Ｐ１が構成され、第２主吸気ポート11および第２主通路24ｃにより第２主吸気通路Ｐ２が構成され、副吸気ポート12および副分岐通路25ｂにより副吸気通路Ｐ３が構成される。そして、この実施形態では、第１，第２主吸気通路Ｐ１，Ｐ２により主吸気通路が構成され、１つの副吸気通路Ｐ３により副吸気通路が構成される。また、第１主吸気通路Ｐ１と第２主吸気通路Ｐ２と副吸気通路Ｐ３とは、第１，第２主吸気通路Ｐ１，Ｐ２の全通路長と副吸気通路Ｐ３の全通路長に渡って、互いに独立した通路である。

各第２主通路24ｃには、該第２主通路24ｃを閉塞する全閉状態と、全開状態との間でアクチュエータにより開閉駆動されて、第２主吸気通路Ｐ２を流れる吸入空気の流量を制御する吸気制御弁26が配置される。吸気制御弁26は、後述する制御装置19により内燃機関Ｅの機関運転状態である機関負荷に応じて制御される。

排気装置27は、上流端部でシリンダヘッド２の側部２ｅに接続される排気管装置としての排気マニホルド28と、排気マニホルド28の下流に配置されて三元触媒を備える触媒装置29と、触媒装置よりも下流側の排気管30とを有する。排気マニホルド28には、燃焼室５毎に設けられて排気ポート13に連通する分岐通路28ａと、すべての分岐通路28ａが集合する集合通路28ｂとが設けられる。
排気装置27およびシリンダヘッド２により形成されて燃焼室５からの排気ガスを排出する排気通路Ｐｅは、分岐通路28ａと、集合通路28ｂと、排気管30により形成される通路30ａと、排気ポート13とにより構成される。

前記燃料供給手段は、第１，第２主吸気通路Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ燃料を供給する第１，第２主燃料供給手段としての第１，第２主燃料噴射弁31，32と、副吸気通路Ｐ３に燃料を供給する副燃料供給手段としての副燃料噴射弁33により構成される。各主通路24ｂ，24ｃにそれぞれ臨んで吸気マニホルド23に取り付けられる第１，第２主燃料噴射弁31，32から噴射された燃料は、それぞれ第１，第２主吸気通路Ｐ１，Ｐ２内で吸入空気と混合して混合気を形成する。スロットルボディ22ａに取り付けられた副燃料噴射弁33から噴射された燃料は、副スロットル通路22ｃ内で吸入空気と混合して混合気を形成する。それゆえ、第１，第２主吸気通路Ｐ１，Ｐ２は、新気としての混合気を主燃焼室６に導き、副吸気通路Ｐ３は新気としての混合気を副燃焼室７に導く。
各主燃料噴射弁31，32からの燃料供給量は、制御装置19により、機関回転速度および機関負荷をはじめとする機関運転状態に応じて制御される。そして、燃焼室５において、点火栓８により混合気が点火される副燃焼室７には、主燃焼室６よりも小さい空燃比の混合気が存在する。

内燃機関Ｅに備えられる制御装置19は、内燃機関Ｅの機関運転状態を検出する機関運転状態検出手段19ｂと、該検出手段19ｂで検出された機関運転状態に応じて燃料噴射弁31，32，33、吸気制御弁26、排気還流弁37および油圧制御弁63，64などを制御する電子制御ユニットからなる制御部19ａとを備える。
該検出手段19ｂは、内燃機関ＥＥの機関回転速度を検出する回転速度検出手段19ｃと、アクセル操作量または主スロットル弁22ｄの開度に基づいて内燃機関Ｅの機関負荷を検出する負荷検出手段19ｄとを含む。

内燃機関Ｅは、さらに、排気通路Ｐｅの排気ガスを還流排気ガス（ＥＧＲガス）として第１，第２主吸気通路Ｐ１，Ｐ２のうちの第２主吸気通路Ｐ２のみに導く排気還流装置35を備える。排気還流装置35は、排気浄化装置としての触媒装置29よりも上流側の集合通路28ｂと第２主吸気通路Ｐ２とを連通させる排気還流通路36ａを形成する導管36と、排気還流通路36ａに配置されて還流排気ガスの還流量（ＥＧＲ量）を機関運転状態に応じて制御する排気還流弁37とを備える。排気還流弁37は、制御装置19により機関負荷に応じて制御される。

図１，図２，図４を参照すると、シリンダヘッド２とヘッドカバー３とで形成される動弁室38内に配置されるＤＯＨＣ型の動弁装置Ｖは、１つの吸気カム軸40を備えると共に第１，第２吸気弁14，15および副吸気弁16を開閉する吸気側動弁装置Ｖｉと、１つの排気カム軸43を備えると共に排気弁17を開閉する排気側動弁装置Ｖｅとから構成される。
吸気側動弁装置Ｖｉは、３つの吸気弁14，15，16の弁作動特性である開閉時期を内燃機関Ｅの機関運転状態に応じて変更可能な可変動弁装置である。

両カム軸40，43は、カムホルダ39を介してシリンダヘッド２に回転可能に支持される。半割型の下カムホルダ39ａおよび上カムホルダ39ｂから構成されるカムホルダ39は、シリンダヘッド２に各カム軸40，43の軸方向に間隔をおいて配列される。
両カム軸40，43は、動弁用伝動機構18を介して伝達されるクランク軸９のトルクにより回転方向Ｒに回転駆動される。伝動機構18は、クランク軸９に設けられる駆動スプロケット18ａと、吸気カム軸40に設けられた位相制御機構61に設けられる吸気側被動スプロケット18ｂと、排気カム軸43に設けられる排気側被動スプロケット（図示されず）と、両スプロケット18ａ，18ｂおよび該排気側被動スプロケットに掛け渡される無端チェーン18ｃとを備える。

吸気側動弁装置Ｖｉは、燃焼室５毎に、第１，第２主吸気カム44，45および副吸気カム46を有する吸気カム軸40と、第１，第２主吸気カム44，45および副吸気カム46によりそれぞれ駆動される第１，第２主吸気ロッカアーム47，48および副吸気ロッカアーム49と、カムフォロアとしての各吸気ロッカアーム47，48，49を揺動可能に支持するロッカ軸51と、第１，第２主吸気弁14，15および副吸気弁16を常時閉弁方向に付勢する弁バネ53と、第１，第２主吸気弁14，15および副吸気弁16の開閉時期を機関運転状態に応じて変更する位相制御手段を構成する第１，第２位相制御機構61，62とを備える。

排気側動弁装置Ｖｅは、燃焼室５毎に１つの排気カム43ａを有する排気カム軸43と、排気カム43ａにより駆動されるカムフォロアとしての排気ロッカアーム50と、各排気ロッカアーム50を揺動可能に支持するロッカ軸52と、排気弁17を常時閉弁方向に付勢する弁バネ53とを備える。

吸気カム軸40および排気カム軸43の回転により、第１，第２主吸気カム44，45および副吸気カム46は、それぞれ第１，第２主吸気ロッカアーム47，48および副ロッカアーム49を介して第１，第２主吸気弁14，15および副吸気弁16を開閉駆動し、排気カム43ａは排気ロッカアーム50を介して排気弁17を開閉駆動する。

吸気カム軸40は、該カム軸40の回転中心線Ｌｉを中心に互いに独立に回動可能な第１カム軸としてのアウタカム軸41および第２カム軸としてのインナカム軸42から構成されて、アウタカム軸41と、アウタカム軸41の内側に回動可能に嵌合するインナカム軸42とが同軸状に配置される二重カム軸である。
なお、図４では、図示の便宜上、すべての燃焼室５（またはシリンダ１ａ）に関しての第１，第２主吸気カム44，45および副吸気カム46は、その各カム44〜46のカム山の頂点が同一平面上に位置するように記載されているが、実際には、燃焼室５毎に、内燃機関Ｅの点火順序に対応した位相になっている。

第１，第２主吸気カム44，45および副吸気カム46の形状は、図６（ａ），図７（ａ）を参照すると、開弁期間について、第１，第２主吸気弁14，15はほぼ同一であり、副吸気弁16は第１主吸気弁14よりもやや短くなるように、また、リフト量特性について、第１，第２主吸気弁14，15はほぼ同一であり、副吸気弁16は第１主吸気弁14よりも小さくなるように、設定されている。

図４を参照すると、第１主吸気カム44および副吸気カム46は、アウタカム軸41に一体成形されて設けられる。
図５を併せて参照すると、円筒状の部材である第２主吸気カム45は、インナカム軸42にねじ込まれて結合されるピン42ｄによりインナカム軸42と一体に回転するように結合されると共に、アウタカム軸41の外周側に回動可能に、そして軸方向に移動不能に設けられる。アウタカム軸41に設けられて第２主吸気カム45を回動可能に支持するカム支持部41ｄには、ピン42ｄが径方向に貫通すると共に両カム軸41，42の相対的な回動を許容する空間である長孔41ｅが設けられる。

図４を参照すると、アウタカム軸41を回動させる第１位相制御機構61と、インナカム軸42を回動させる第２位相制御機構62とにより構成される前記位相制御手段は、アウタカム軸41とインナカム軸42を、したがって第１主吸気カム44および副吸気カム46と第２主吸気カム45とを、それぞれ、機関運転状態に応じて互いに独立に回動させて、基準位相としてのクランク軸９の位相（すなわちクランク角）に対して、アウタカム軸41、インナカム軸42、したがって第１主吸気カム44および副吸気カム46と第２主吸気カム45の位相とを互いに独立に変更可能であり、第１主吸気弁14および副吸気弁16の開閉時期と、第２主吸気弁15の開閉時期を互いに独立に変更可能である。
この実施形態では、各吸気弁14，15，16の開閉時期が変更されるとき、各吸気弁14，15，16の開時期および閉時期が同時に変更されるので、各吸気弁14，15，16の弁作動特性であるリフト量特性および開弁期間は変更されない。

両位相制御機構61，62は共通の基本構造を有する油圧式機構である。
アウタカム軸41の端部41ａ（したがってカム軸40の軸端部40ａ）に設けられる第１位相制御機構61は、被動スプロケット18ｂが一体成形により一体に設けられる本体61ａと、本体61ａに対して相対回動可能に組み付けられて収容されると共に端部41ａに一体に回動するようにボルト61ｃで結合される回動部材61ｂとを備える。本体61ａはクランク軸９および伝動機構18と一体に回転し、回動部材61ｂはアウタカム軸41および第１主吸気カム44および副吸気カム46と一体に回動する。

アウタカム軸41の端部41ｂおよびインナカム軸42の端部42ｂ（したがってカム軸40の軸端部40ｂ）に設けられる第２位相制御機構62は、アウタカム軸41と一体に設けられる本体62ａと、本体62ａに対して相対回動可能に組み付けられて収容されると共に端部42ｂに一体に回転するようにボルト62ｃで結合される回動部材62ｂとを備える。本体62ａはアウタカム軸41と一体に回動し、回動部材62ｂはインナカム軸42および第２主吸気カム45と一体に回動する。

このため、第１位相制御機構61は、アウタカム軸41およびインナカム軸42を一体に回動させることにより、クランク角に対する第１主吸気カム44、副吸気カム46の位相および第２主吸気カム45の位相を一体的に変更可能であり、第２位相制御機構62は、両カム軸41，42を相対的に回動させることにより、第１主吸気カム44および副吸気カム46の位相と、第２主吸気カム45の位相とを相対的に変更可能である。

各位相制御機構61，62において、回動部材61ｂ，62ｂは、本体61ａ，62ａの内周に設けられた複数である所定数の凹部（図示されず）内にそれぞれ配置される前記所定数のベーン（図示されず）を有する。そして、前記各ベーンは、前記凹部と協働して、回動方向での両側に作動油が給排される遅角室および進角室を形成する。
両位相制御機構61，62の動作を制御する駆動制御機構は、各位相制御機構61，62に対して作動油の給排を行うことにより、各位相制御機構61，62の回動部材61ｂ，62ｂの動作を制御する。該駆動制御機構は、各位相制御機構61，62の前記遅角室および前記進角室の油圧を制御する油圧制御弁63，64と、各油圧制御弁63，64を介して作動油を導く油路系統とから構成される。油圧制御弁63，64は、制御装置19により機関運転状態に応じて制御される。

前記油路系統は、内燃機関Ｅにより駆動される作動油源としてのオイルポンプ65から吐出された高圧の作動油が導かれる給油路66と、前記遅角室および前記進角室から作動油を排出する排油路67ａ，67ｂと、前記遅角室に常時連通すると共に油圧制御弁63，64を介して給油路66および排油路67ａ，67ｂに択一的に連通する遅角用油路68ｂ，69ｂと、前記進角室に常時連通すると共に油圧制御弁63，64を介して給油路66および排油路67ａ，67ｂに択一的に連通する進角用油路68ａ，69ａとから構成される。

第１位相制御機構61について、油圧制御弁63が給油路66を進角用油路68ａ（または遅角用油路68ｂ）に連通させると同時に排油路67ａを遅角用油路68ｂ（または進角用油路68ａ）に連通させることにより、前記進角室（または前記遅角室）に作動油が供給されると同時に前記遅角室（または前記進角室）の作動油が排出されて、クランク角に対してアウタカム軸41、インナカム軸42および各吸気カム44，45，46の位相が進角（または遅角）され、各吸気弁14，15，16（図１，図２参照）の開閉時期が進角（または遅角）される。
一方、第２位相制御機構62について、油圧制御弁64が給油路66を進角用油路69ａ（または遅角用油路69ｂ）に連通させると同時に排油路67ｂを遅角用油路69ｂ（または進角用油路69ａ）に連通させることにより、前記進角室（または前記遅角室）に作動油が供給されると同時に前記遅角室（または前記進角室）の作動油が排出されて、クランク角に対してインナカム軸42および第２主吸気カム45の位相が進角（または遅角）され、第２主吸気弁15の開閉時期が進角（または遅角）される。
そして、本体61ａ，62ａおよび回動部材61ｂ，62ｂの相対回動により各カム軸41，42および各吸気カム44，45，46の所望の位相が設定された時点で、油圧制御弁63，64が遅角用油路68ｂ，69ｂおよび進角用油路68ａ，69ａを閉塞し、クランク角に対する各カム軸41，42および各吸気カム44，45，46の位相が維持される。

このように、各位相制御機構61，62は、制御装置19により機関負荷および機関回転速度に応じて制御されて、各カム軸41，42および各吸気カム44，45，46の位相を、したがって各吸気弁14，15，16の開閉時期を、さらには第１主吸気弁14および副吸気弁16の開閉時期と第２主吸気弁15の開閉時期の位相差を、連続的に変更すると共に、互いに独立して変更可能である。
そして、この位相の変更過程で、第１位相制御機構61の回動部材61ｂは、アウタカム軸41と、該アウタカム軸41および第２位相制御機構62の本体62ａおよび回動部材62ｂを介してインナカム軸42とを一体に回動させることにより、クランク角に対する各吸気カム44，45，46の位相を一体的に変更可能である。また、第２位相制御機構62は、互いに相対回動可能な本体62ａと回動部材62ｂとにより、アウタカム軸41およびインナカム軸42を相対的に回動させることで、第１主吸気カム44および副吸気カム46の位相と、第２主吸気カム45の位相を相対的に変更可能である。

図６〜図１１を主に参照して、内燃機関Ｅの運転領域の全体における機関負荷状態を、主スロットル弁22ｄが全閉状態となる無負荷（すなわちアイドル）と主スロットル弁22ｄが全開状態となる全負荷との間で、低負荷、中負荷および高負荷にほぼ三等分したとき、内燃機関Ｅの無負荷時、低負荷時、中負荷時、高負荷時および全負荷時での、動弁装置Ｖ、燃焼室５での混合気とＥＧＲガスの分布状態について説明する。
なお、図６，図７，図９，図１１において、混合気が短い線の破線のハッチングで示され、ＥＧＲガスが長い線の破線のハッチングで示され、図８，図１０において、混合気の流れが破線の矢印で示され、ＥＧＲガスの流れが実線の矢印で示される。

図１，図２，図４を参照しながら、主に図６を参照すると、内燃機関Ｅの無負荷時には、主スロットル弁22ｄは全閉状態にあり、副スロットル弁22ｅは、全開状態よりも小さい開度で部分的に開いた部分開度状態にあり、吸気制御弁26は全閉状態にあり、排気還流弁37は全開状態または部分的に開いた部分開度状態にある。
そして、両位相制御機構61，62により、第１，第２主吸気弁14，15の開閉時期がほぼ同一に設定され、副吸気弁16は、第１主吸気弁14の開弁期間内で、第１主吸気弁14に比べて開時期がやや遅角され、閉時期がやや進角された時期に設定される。また、各吸気弁14，15，16において、最大リフト量となる時期である最大リフト時期は、ほぼ同じ時期である。

このとき、副燃焼室７には副吸気通路Ｐ３を通じて混合気が導入される一方、主燃焼室６には、主スロットル弁22ｄが全閉状態であるために第１主吸気通路Ｐ１を通じて混合気が導入されず、第２主吸気通路Ｐ２を通じて大量のＥＧＲガスに導入される。そして、第１，第２主燃料噴射弁31，32からは燃料が噴射されないことから、第２主吸気通路Ｐ２を通じて混合気が主燃焼室６に導入されることはなく、第２主吸気通路Ｐ２はＥＧＲガスのみを主燃焼室６に導く。このときのＥＧＲ率は、５０％以上であり、好ましくは１００％を越える。
このため、点火直前での燃焼室５内での混合気（新気）とＥＧＲガスとの分布状態は、図６（ｂ）に示されるように、主燃焼室６内は殆どＥＧＲガスで占められ、副燃焼室７内が混合気で占められる。そして、副燃焼室７内では、主燃焼室６内での大量のＥＧＲガスの影響を殆ど受けることなく、点火栓８により混合気が燃焼して所要の機関出力が発生する。
このとき、大量のＥＧＲガスにより、有効圧縮比が高められるので、熱効率が向上する。また、排気通路Ｐｅに排出される排気ガスは、主燃焼室６内に導入された大量のＥＧＲガスにより、ＥＧＲガスが少ない場合または排気還流が行われない場合に比べて、高温の排気ガスが触媒装置29に流入するので、内燃機関Ｅの冷間始動時に、触媒装置29の暖機が促進されて、その浄化率が向上する。

図１，図２，図４を参照しながら、主に図７，図８を参照すると、運転頻度が比較的高い運転時、すなわち低負荷時および中負荷時には、主スロットル弁22ｄは部分的に開いた部分開度状態にあり、副スロットル弁22ｅは全開状態にあり、吸気制御弁26は全閉状態にあり、排気還流弁37は部分開度状態にある。
そして、第２位相制御機構62が、インナカム軸42および第２主吸気カム45を長孔41ｅ（図５参照）の範囲で回動させて、第２主吸気カム45の位相が第１主吸気カム44に対して進角する。このため、第２主吸気弁15の開時期が第１主吸気弁14の開時期よりも進角した時期に設定される。そして、両位相制御機構61，62は、機関負荷に応じて変更される第２主吸気弁15の開時期と第１主吸気弁14の開時期との位相差の最大値が、この低負荷時または中負荷時に生じるように、第１，第２主吸気弁14，15，16の開閉時期を制御する。

このとき、第２主吸気弁15が第１主吸気弁14よりも早い時期に開弁することから、吸気行程の前半では、第２主吸気弁15が第１主吸気弁14に比べて大きなリフト量で開弁しているので、図８（ａ），（ｂ）に示されるように、主燃焼室６には第２主吸気通路Ｐ２からのＥＧＲガスがシリンダ空間１ｂ内にスワール（横渦）を形成しながら導入される。次いで、吸気行程の後半では、第２主吸気通路Ｐ２からのＥＧＲガスの導入量が減少する一方、第１主吸気弁14が第２主吸気弁15に比べて大きなリフト量で開弁しているので、図８（ｃ），（ｄ）に示されるように、第１主吸気通路Ｐ１からの混合気がシリンダ空間１ｂ内に、ＥＧＲガスのスワールの向きとは逆向きのスワールを形成しながら導入される。このため、点火直前での主燃焼室６内での混合気とＥＧＲガスとの分布状態は、図７（ｂ）に示されるように、ピストン４寄りの部分にＥＧＲガスが存在し、シリンダヘッド２寄り（または噴口７ａ寄り）の部分に混合気が存在する層状分布となる。これにより、噴口７ａからの火炎により主燃焼室６の混合気の燃焼が容易になる。
また、このときのＥＧＲ率は、１００％以上であり、好ましくは２００％を越える。そして、この大量のＥＧＲガスにより、有効圧縮比が高められるので、熱効率が向上する。

図１，図２，図４を参照しながら、主に図９，図１０を参照すると、内燃機関Ｅの高負荷時には、主スロットル弁22ｄは中負荷時よりも大きく開いた部分開度状態にあり、副スロットル弁22ｅは全開状態にあり、吸気制御弁26は全開状態にあり、排気還流弁37は低負荷時および中負荷時よりも小さく開いた部分開度状態にある。このため、ＥＧＲ量は、低負荷時および中負荷時よりも大幅に小さく、ＥＧＲ率は２０％以下である。
そして、両位相制御機構61，62により、無負荷時に比べて、第１，第２主吸気弁14，15および副吸気弁16の開時期が進角される。この状態では、第１，第２主吸気弁14，15がほぼ同じ時期に開閉することから、第１主吸気通路Ｐ１からの混合気および第２主吸気通路Ｐ２からのＥＧＲガスが同時に導入されるので、図１０に示されるように、吸気行程でのシリンダ空間１ｂ内には、タンブル（縦渦）が発生して、混合気とＥＧＲガスとが混合され、点火直前での主燃焼室６での分布状態は、図１０（ｂ）に示されるように、混合気とＥＧＲガスとが、主燃焼室６の全体において混合した分布状態になる。
さらに、吸気制御弁26が全開となることで、第２主吸気通路Ｐ２からも混合気が主燃焼室６に導入されるので、機関回転速度が大きい高速回転時の体積効率が向上して、機関出力が向上する。

図１，図２，図４を参照しながら、主に図１１を参照すると、内燃機関Ｅの全負荷時には、主スロットル弁22ｄは全開状態にあり、副スロットル弁22ｅは全開状態にあり、吸気制御弁26は全開状態にあり、排気還流弁37は全閉状態にある。
両位相制御機構61，62により、機関回転速度に応じて第２主吸気カム45を第１主吸気カム44および副吸気カム46に対して進角させて、第２主吸気弁15の開時期を第１主吸気弁14の開時期よりも進角させたりすることで、バルブオーバラップを利用した掃気効果による体積効率の増加や、第１，第２主吸気弁14，15の開時期の位相差による主燃焼室６への混合気の流速の増加による燃焼性向上が可能になり、機関回転速度の全域で機関出力を向上させることができる。
そして、点火直前での主燃焼室６内での混合気とＥＧＲガスとの分布状態は、図１１（ｂ）に示されるように、主燃焼室６の全体が混合気で占められる。

次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
内燃機関Ｅの第１主吸気通路Ｐ１、第２主吸気通路Ｐ２および副吸気通路Ｐ３は、互いに独立した通路であり、排気通路Ｐｅ内の排気ガスをＥＧＲガスとして第２主吸気通路Ｐ２に還流させる排気還流通路36ａが設けられ、第１主吸気通路Ｐ１は、混合気およびＥＧＲガスのうちの混合気のみを主燃焼室６に導き、副吸気通路Ｐ３は、混合気およびＥＧＲガスのうちの混合気のみを副燃焼室７に導くことにより、混合気は第１主吸気通路Ｐ１を通じて主燃焼室６に導かれる一方、ＥＧＲガスは主燃焼室６に連通する第２主吸気通路Ｐ２を通じて主燃焼室６に導かれるので、大量のＥＧＲガスが主燃焼室６に導入される場合にも、第１主吸気通路Ｐ１を通じて混合気が主燃焼室６に導入されること、おおび副燃焼室７から噴口７ａを通じて主燃焼室６に噴出する火炎により主燃焼室６内の混合気を燃焼させることができることにより、燃焼性を向上させることができる。しかも、内燃機関Ｅの無負荷時や、低・中負荷時に、大量のＥＧＲガスを燃焼室５に導入することができるので、ポンピングロスを減少させることができ、かつ有効圧縮比を増加させて、熱効率を向上させることができて、燃費を改善できる。

動弁装置Ｖは、第１主吸気弁14の開時期と第２主吸気弁15の開時期との位相差を変更可能な位相制御機構61，62を備え、内燃機関Ｅには位相制御機構61，62を機関運転状態に応じて制御する制御装置19が設けられ、位相制御機構61，62は、制御装置19により制御されて機関負荷に応じて前記位相差を変更することにより、位相制御機構61，62により第１，第２主吸気弁14，15の開時期の位相差を変更することで、動弁装置Ｖにより、主燃焼室６での混合気とＥＧＲガスとの分布状態を機関回転速度および機関負荷に応じて多様に制御することができる。この結果、機関運転状態に応じて、燃焼性向上および燃費改善の観点から好適な前記分布状態を得ることができる。

主燃焼室６は、シリンダ１ａに往復運動可能に嵌合するピストン４とシリンダヘッド２との間に形成され、第１主吸気口10ａおよび噴口７ａはシリンダヘッド２に設けられ、位相制御機構61，62は、機関負荷状態を低負荷、中負荷および高負荷に分けたときの低負荷時または中負荷時に、第２主吸気弁15の開時期を第１主吸気弁14の開時期よりも進角した時期に設定すると共に、機関負荷に応じて変更される位相差の最大値を低負荷時または中負荷時に生じさせることにより、主燃焼室６においては、ＥＧＲガスの層がピストン４寄りに形成され、混合気の層がシリンダヘッド２寄りに形成されるように、主燃焼室６内における混合気とＥＧＲガスとの分布状態が層状化されて、シリンダヘッド２に設けられた副燃焼室７の噴口７ａからの火炎により、シリンダヘッド２寄りに分布する混合気の燃焼が容易になるので、主燃焼室６内での燃焼性が向上する。

以下、前述した実施形態の一部が変更された形態について、変更された部分を中心に説明する。
図１２に示されるように、吸気マニホルド23には、前述の第２主通路24ｃの代わりに、上流端が閉塞されると共に下流端で第２主吸気ポート11に連通する通路24ｄが設けられ、該通路24ｄに排気還流通路36ａが連通する。第２主吸気通路Ｐ２を構成する通路24ｄには、吸入空気が導入されることなく、したがって混合気が流れることもなく、ＥＧＲガスのみが流れる。このため、第２主吸気通路Ｐ２がＥＧＲガス専用の通路として構成される。

主吸気通路は３つ以上設けられてもよく、その場合には、そのうちの２つの主吸気通路を第１，第２主吸気通路として本発明が適用される。同様に、複数の副燃焼室が設けられる場合、各副燃焼室に対応して副吸気通路が２つ以上設けられてもよく、そのうちの１つについて本発明が適用される。
副燃焼室内に混合気を形成するために、副吸気通路が新気としての吸入空気のみを副燃焼室に導き、かつ該副燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁が設けられてもよい。
第１，第２主吸気通路が主スロットル通路を含む前記上流側吸気通路を含んで構成されてもよく、または副吸気通路が副スロットル通路を含む前記上流側吸気通路を含んで構成されてもよい。そして、これらの場合には、燃焼室毎に、主スロットル弁または副スロットル弁が配置されることになる。
動弁装置の位相制御手段は、第１，第２主吸気弁および副吸気弁を直接駆動する電磁式アクチュエータまたは油圧式アクチュエータにより構成されてもよい。
内燃機関は単気筒内燃機関であってもよい。内燃機関は、前記実施形態では車両に使用されるものであったが、鉛直方向を指向するクランク軸を備える船外機等の船舶推進装置に使用されるものであってもよい。

本発明の実施形態を示し、本発明が適用された内燃機関の要部断面図であり、シリンダヘッドにおいては図３の概略Ｉ−Ｉ線での断面である。 図１の内燃機関の要部断面図であり、シリンダヘッドにおいては図３の概略ＩＩ−ＩＩ線での断面である。 図１の内燃機関のシリンダヘッドの下面図であり、吸気装置および排気装置が模式的に示されている。 図１の内燃機関の動弁装置の吸気カム軸の断面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図１の内燃機関の無負荷時において、（ａ）は、吸気弁および排気弁の弁作動特性を説明する図であり、（ｂ）は、燃焼室での混合気とＥＧＲガスとの分布状態を説明する図である。 図１の内燃機関の低負荷時および中負荷時において、（ａ）は、吸気弁および排気弁の弁作動特性を説明する図であり、（ｂ）は、燃焼室での混合気とＥＧＲガスとの分布状態を説明する図である。 図１の内燃機関の低負荷時および中負荷時において、（ａ）は、吸気行程前半でのシリンダ空間内のＥＧＲガスの流れの様子を説明するシリンダの平面略図であり、（ｂ）は、（ａ）のシリンダの側面略図であり、（ｃ）は、吸気行程後半でのシリンダ空間内の混合気の流れの様子を説明するシリンダの平面略図であり、（ｄ）は、（ｃ）のシリンダの側面略図である。 図１の内燃機関の高負荷時において、（ａ）は、吸気弁および排気弁の弁作動特性を説明する図であり、（ｂ）は、燃焼室での混合気とＥＧＲガスとの分布状態を説明する図である。 図１の内燃機関の高負荷時において、（ａ）は、吸気行程前半でのシリンダ空間内の混合気およびＥＧＲガスの流れの様子を説明するシリンダの平面略図であり、（ｂ）は、（ａ）のシリンダの側面略図であり、（ｃ）は、吸気行程後半でのシリンダ空間内の混合気およびＥＧＲガスの流れの様子を説明するシリンダの平面略図であり、（ｄ）は、（ｃ）のシリンダの側面略図である。 図１の内燃機関の全負荷時において、（ａ）は、吸気弁および排気弁の弁作動特性を説明する図であり、（ｂ）は、燃焼室での混合気とＥＧＲガスとの分布状態を説明する図である。 本発明の別の実施形態を示し、図２に相当する図である。

符号の説明

２…シリンダヘッド、４…ピストン、６…主燃焼室、７…副燃焼室、10，11…主吸気ポート、12…副吸気ポート、13…排気ポート、14，15…主吸気弁、16…副吸気弁、17…排気弁、19…制御装置、22…スロットル弁装置、23…吸気マニホルド、26…吸気制御弁、31，32…主燃料噴射弁、33…副燃料噴射弁、35…排気還流装置、40…吸気カム軸、61，62…位相制御機構、
Ｅ…内燃機関、Ｐ１，Ｐ２…主吸気通路、Ｐ３…副吸気通路。

Claims (3)

1. 主燃焼室と、前記主燃焼室に噴口を介して連通する副燃焼室とから構成される燃焼室と、
   前記主燃焼室に開口する第１主吸気口にて第１主吸気弁により開閉される第１主吸気通路と、前記主燃焼室に開口する第２主吸気口にて第２主吸気弁により開閉される第２主吸気通路とから構成される主吸気通路と、
   前記副燃焼室に開口する副吸気口にて副吸気弁により開閉される副吸気通路と、
   前記主燃焼室に開口する排気口にて排気弁により開閉される排気通路と、
   前記第１主吸気弁、前記第２主吸気弁、前記副吸気弁および前記排気弁を開閉駆動する動弁装置と、
   前記第１主吸気通路を通じて前記主燃焼室内に導入される混合気を形成する主燃料供給手段と、前記副燃焼室内で燃焼する燃料を供給する副燃料供給手段とから構成される燃料供給手段と、
   前記副燃焼室内に臨むと共に前記副燃焼室内の混合気に点火する点火手段とが設けられた内燃機関において、
   前記第１主吸気通路、前記第２主吸気通路および前記副吸気通路は、互いに独立した通路であり、
   前記排気通路内の排気ガスを還流排気ガスとして前記第２主吸気通路に還流させる排気還流通路が設けられ、
   前記第１主吸気通路は、前記混合気および前記還流排気ガスのうちの該混合気のみを主燃焼室に導き、
   前記副吸気通路は、新気および前記還流排気ガスのうちの該新気のみを前記副燃焼室に導くことを特徴とする内燃機関。
2. 前記動弁装置は、前記第１主吸気弁の開時期と前記第２主吸気弁の開時期との位相差を変更可能な位相制御手段を備え、
   前記位相制御手段を機関運転状態に応じて制御する制御装置が設けられ、
   前記位相制御手段は、前記制御装置により制御されて前記機関運転状態に応じて前記位相差を変更することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記主燃焼室は、シリンダに往復運動可能に嵌合するピストンとシリンダヘッドとの間に形成され、
   前記第１主吸気口および前記噴口は前記シリンダヘッドに設けられ、
   前記機関運転状態は機関負荷であり、
   前記位相制御手段は、機関負荷状態を低負荷、中負荷および高負荷に分けたときの前記低負荷時または前記中負荷時に、前記第２主吸気弁の開時期を前記第１主吸気弁の開時期よりも進角した時期に設定すると共に、前記機関負荷に応じて変更される前記位相差の最大値を前記低負荷時または前記中負荷時に生じさせることを特徴とする請求項２記載の内燃機関。

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